【摘要】：在智能變電站中，時間同步系統(tǒng)為全站智能設(shè)備提供一個準(zhǔn)確、安全、可靠的時鐘源。為了滿足在智能變電站數(shù)字采樣模式對時間同步系統(tǒng)提出的精度要求，在實際應(yīng)用中，采用了IEEE1588的方式進(jìn)行對時，IEEE1588對時可采用點對點及交換機方式。本文以一次時間同步裝置故障導(dǎo)致的過程層網(wǎng)絡(luò)中斷故障為例，分析了采用IEEE1588交換機對時方式的時間同步裝置在時間同步裝置發(fā)生故障，會對過程層交換機造成影響，進(jìn)而造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

【關(guān)鍵詞】：智能變電站；時間同步；過程層；網(wǎng)絡(luò)；

【引言】：

智能變電站高度依賴網(wǎng)絡(luò)通信，雖然為了可靠性，重要保護(hù)都采用直采直跳的方式，但依然有很多功能的實現(xiàn)十分依賴過程層網(wǎng)絡(luò)。

比較重要的功能有：保護(hù)間220kV線路間隔起母差失靈信號、母差起線路間隔遠(yuǎn)跳信號、主變解母線復(fù)壓閉鎖信號，失靈聯(lián)調(diào)主變?nèi)齻?cè)信號等；采用網(wǎng)絡(luò)跳閘的保護(hù)，保護(hù)跳閘信號；綜合自動化系統(tǒng)的遙控、遙調(diào)命令執(zhí)行、遙測、遙信數(shù)據(jù)的采集。

智能變電站的時鐘同步裝置，除了具有常規(guī)變電站時間同步裝置所具有的為故障錄波分析、SOE報文、測控數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定時鐘源的作用外，還具有為合并單元提供采樣時間的作用，直接影響到了保護(hù)采樣的同步性，具有更重要的地位。

本文以一起時間同步裝置故障引起的網(wǎng)絡(luò)故障分析，分析時間同步裝置在極端情況下是如何影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的，希望能進(jìn)一步引起對時鐘同步裝置的關(guān)注。

1、原理分析

1.1 IEEE1588對時方式

智能變電站過程層設(shè)備一般采用IEEE1588對時方式

IEEE1588對時方式采用的是主從模式（Master-Slave），主要依靠同步報文進(jìn)行時鐘同步。

主要有以下四種報文類型。

（1）同步報文；

（2）跟隨報文；

（3）延時測量報文；

（4）延時回應(yīng)報文。

IEEE 1588對時過程間圖1所示，包含時刻偏移值計算以及傳輸延時值計算方法。偏移計算是指計算時鐘裝置、對時設(shè)備之間的時間偏差值，從而在從時鐘上補償這些偏差；傳輸延時計算是指確定時鐘裝置、對時設(shè)備間數(shù)據(jù)報文傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延時。

時鐘裝置發(fā)送同步報文采用多播方式，以固定周期（常用設(shè)置是2s）向網(wǎng)絡(luò)上的對時裝置發(fā)送同步報文。同步報文發(fā)送出時鐘裝置端口時，增加了報文的發(fā)送時間t1信息，從時鐘端口收到同步報文時，添加了報文的接收時間t2。時鐘裝置在網(wǎng)絡(luò)上廣播跟隨報文，添加了同步報文的發(fā)送時間，從時鐘在接收到的跟隨報文中獲取這個t1值。最后，從時鐘還會向時鐘裝置發(fā)送延時回應(yīng)報文，添加了報文的發(fā)送時間t3信息；時鐘裝置接收到延時回應(yīng)報文后記錄下收到報文的時間t4，再次向從時鐘回復(fù)一個延時測量報文，并且在延時處理報文中包添加收到延時回應(yīng)報文的時間t4。

計算出時鐘裝置、對時設(shè)備之間的偏差值，就可以通過調(diào)節(jié)從時鐘的算法來調(diào)節(jié)從時鐘。另外，為了避免時鐘裝置、對時設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理延遲不確定性的影響，IEEE 1588采用硬件獲取時標(biāo)的方法，在接近物理層的位置獲取時間標(biāo)簽，這種方法也是IEEE 1588具有很高對時精度的原因之一。這種方法具有兩種模式：點對點模式和經(jīng)交換機的網(wǎng)絡(luò)模式。

點對點模式就是用光纖對時鐘裝置、對時設(shè)備進(jìn)行連接，由于在光纖上報文的傳播時間T1是相等的，這種模式具有很高的時鐘同步精度，同步原理如圖2所示。

經(jīng)交換機的模式是將時鐘裝置、對時設(shè)備接入過程層網(wǎng)絡(luò)，依靠交換機交換報文。由于交換機流量和內(nèi)部排隊機制的影響，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的不確定程度增大了，因此為了彌補這種不確定性，就要對傳輸路徑進(jìn)行分段測量和修正。同時，為了獲得高精度的時鐘同步，對于接入時鐘裝置、對時設(shè)備之間的交換機也提出了更高的要求。不僅要在每個端口設(shè)置獨立的硬件來獲取同步報文進(jìn)入和離開交換機的時標(biāo)，還要具備高精度的內(nèi)部時鐘來測量同步報文在交換機內(nèi)的駐留時間，這在一般普通的交換機上是無法實現(xiàn)的，因此，為了達(dá)到高精度的時鐘同步目的，就要采用符合IEEE 1588的新型交換機。這樣就可以將整個傳輸路徑分為三段，即時鐘裝置到交換機的時間T1、交換機內(nèi)部的時間T2和交換機到從時鐘的時間T3。其中，T1和T3可以由時鐘裝置、對時設(shè)備和交換機之間的報文得到；T2是指同步報文在交換機內(nèi)部的駐留時間，這個時間也可以通過IEEE 1588交換機內(nèi)部的時鐘精確得到。這樣，從時鐘就可以從交換機計算出的T1、T2和交換機自身的駐留時間得到整個時鐘裝置、對時設(shè)備之間的傳輸延遲，并且對得到的時鐘延遲進(jìn)行補償和修正。

1.2 中心交換機流量分析

在智能變電站中，過程層網(wǎng)絡(luò)一般采用雙網(wǎng)配置。在500kV系統(tǒng)中，一般采用SV、goose網(wǎng)絡(luò)分開的方式，有效地降低了交換機工作負(fù)荷。但在220kV部分，則采用SV、GOOSE合并組網(wǎng)的方式，過程層交換機數(shù)據(jù)量較大，尤其是220kV中心交換機。該網(wǎng)絡(luò)中心交換機的業(yè)務(wù)量在數(shù)據(jù)類型上，兼具了SV采樣、GOOSE開關(guān)量、等多種信號傳輸；在傳輸設(shè)備類型包括了保護(hù)裝置、數(shù)字化計量表計、智能終端、合并單元以及自動化設(shè)備（如故障錄波、繼電保護(hù)及故障信息子站、向量測量裝置等）；在涉及間隔上，又包含了母線、線路、主變、母聯(lián)（分段）等，是智能變電站流量壓力最大的交換機類型。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，220kV系統(tǒng)過程層網(wǎng)絡(luò)中心交換機的業(yè)務(wù)量一般能達(dá)到35%。

而根據(jù)運行經(jīng)驗，當(dāng)交換機業(yè)務(wù)量達(dá)到交換機數(shù)據(jù)吞吐能力的40%，可能造成交換機的數(shù)據(jù)擁堵。

2、故障實例

2.1故障發(fā)生及處理過程：

某變電站，某日出現(xiàn)過220kV程層設(shè)備大量出現(xiàn)通信中斷問題，并在10分鐘左右后自動復(fù)歸。檢查后，沒有發(fā)現(xiàn)無異常。一天后該變電站，再次出現(xiàn)過220kV過程層設(shè)備大量出現(xiàn)通信中斷問題，在10分鐘左右后復(fù)歸。專業(yè)人員再次檢查，仍未無異常。如此反復(fù)前后出現(xiàn)3次后，該問題被列入嚴(yán)重缺陷。經(jīng)組織保護(hù)專業(yè)人員、系統(tǒng)集成廠家技術(shù)人員人員到現(xiàn)場檢查，調(diào)取歷史信息，裝置報文、分析問題，考慮到這些設(shè)備全部都經(jīng)過220kV B網(wǎng)中心交換機，懷疑是該交換機故障，決定更換備用交換機機并重新配置。但在3天后再次出現(xiàn)過220kV程層設(shè)備大量出現(xiàn)通信中斷問題，還是在10分鐘左右后復(fù)歸。專業(yè)人員再次檢查，仍未無異常。

至此，基本可以排除排除交換機問題。

經(jīng)技術(shù)人員討論決定對報文進(jìn)行實時監(jiān)控。在一星期的監(jiān)控過程中，出現(xiàn)通信中斷問題3次，查看報文后，發(fā)現(xiàn)每次引起網(wǎng)絡(luò)堵塞的大量報文主要是對時系統(tǒng)發(fā)出的對時報文。經(jīng)過對時間同步裝置進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裝置電源不穩(wěn)定，存在不定時重新啟動的現(xiàn)象，當(dāng)兩次重新啟動時間間隔小于1分鐘時，網(wǎng)絡(luò)就會出現(xiàn)大量設(shè)備通信中斷現(xiàn)象。

2.2故障產(chǎn)生過程分析

從IEEE1588對時原理可以看出，在時間同步裝置運行期間，與對時裝置（合并單元、智能終端）存在數(shù)據(jù)交換。

由于，在調(diào)試及設(shè)備投產(chǎn)驗收階段，時間同步裝置一直處于運行狀態(tài)，而對時裝置則是逐漸投入運行，在上文“原理分析”部分描述的對時報文互相發(fā)送過程不存在同時進(jìn)行的問題。

但在時間同步裝置發(fā)生故障后，需要對時的設(shè)備一直處于自守時狀態(tài)，一直在等待時間同步裝置的同步報文。當(dāng)時間同步裝置恢復(fù)正常后，這些對時設(shè)備會同時回應(yīng)，并繼續(xù)對時過程。這時，對時報文產(chǎn)生的大量報文就會導(dǎo)致過程層交換機的流量增加。

而通過對220kV系統(tǒng)過程層網(wǎng)絡(luò)中心交換機的流量分析可知，該中心交換機的流量本來就極大，在短時間內(nèi)對時報文的大量增加又進(jìn)一步加重了交換機的負(fù)擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)極易發(fā)生擁堵。。

在時間同步裝置反復(fù)故障的情況下，這一過程的累積，就造成了過程層交換機的癱瘓，進(jìn)而連接在這一交換機上的裝置大面積出現(xiàn)“通信斷鏈”故障。

在時間同步裝置恢復(fù)正常一段時間后，隨著所有裝置的對時過程結(jié)束，對時報文數(shù)量逐漸減少，交換機慢慢就會恢復(fù)正常，斷鏈也會逐漸恢復(fù)。

3、建議解決方法

通過以上分析可得知， 在智能變電站如果采用IEEE1588經(jīng)交換機的模式進(jìn)行對時的話，可能出現(xiàn)由于對時系統(tǒng)故障導(dǎo)致過程層網(wǎng)絡(luò)中斷問題。

3.1建議解決方案

為解決這一隱患，我們可以從以下三個方面考慮：

3.1.1采用點對點模式對時，不要接入過程層網(wǎng)絡(luò)，從源頭上避免對時系統(tǒng)和過程層網(wǎng)絡(luò)的相互影響。

3.1.2 升級時間同步裝置，在程序中增加同時回應(yīng)對時設(shè)備的數(shù)目上限，在同時收到對時設(shè)備數(shù)目超過上限時，延時對超過部分對時設(shè)備的報文進(jìn)行回復(fù)。

3.1.3 在前期建設(shè)階段，對流量壓力較大的過程層中心交換機，選用采用性能較好的設(shè)備，在關(guān)鍵參數(shù)上預(yù)留更多的裕度。

3.2 方案比較

方案1的從源頭上避免了時間同步數(shù)據(jù)與過程層網(wǎng)絡(luò)的相互影響，但需要使用單獨的光纖通道，施工難度大，且被對時設(shè)備都需要有單獨的對時接口。另外，采用本方案后，系統(tǒng)的擴展也會受制于時間同步裝置自身對時接口的數(shù)量，成為以后間隔的擴展的制約因素。方案2不改變現(xiàn)有對時方式，但需要開發(fā)人員的配合，實施難度較大。所以，建議采用方案3，通過提高中心交換機的性能來解決這一問題。

結(jié)論

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對時間同步系統(tǒng)正常工作有直接的影響外，時間同步裝置運行情況也會對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生很大的影響，甚至造成過程層網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，直接導(dǎo)致保護(hù)裝置閉鎖等嚴(yán)重故障，所以應(yīng)提高對時間同步裝置的重視程度，這里提高裝置的性能，為智能變電站的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】：

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[2] 崔全勝，魏勇，何永吉，等..PTP1588協(xié)議的分析，電力系統(tǒng)保護(hù)與控制[J]. 2011，39（10）：148-154.

作者簡介：

王海龍，男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。